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Comprender la inductancia de fuga

Una explicación de la inductancia de fuga en transformadores, por qué es importante y cómo realizar mejor las mediciones.

1, ¿Qué es la inductancia de fuga?

La inductancia de fuga es un componente inductivo presente en un transformador que resulta de la conexión magnética imperfecta de un devanado con otro.

Cualquier flujo magnético que no enlace el devanado primario con el secundario actúa como impedancia inductiva en serie con el primario, por lo que esta "inductancia de fuga" se muestra en un diagrama esquemático como una inductancia adicional antes del primario de un transformador ideal.

En determinadas aplicaciones, como fuentes de alimentación de modo conmutado y balastos de iluminación, la inductancia de fuga del transformador puede desempeñar una función crítica en el diseño del producto. Por esta razón, la medición precisa de la inductancia de fuga suele ser una función de prueba importante para los fabricantes de transformadores.

Para evitar confusión con otras características del transformador, esta nota técnica no se referirá a otros componentes de pérdida como la resistencia del devanado o la capacitancia entre devanados.

Transformador ideal

Para un transformador teórico ideal, no hay pérdidas. Los voltajes se transforman en la razón directa de las vueltas; corrientes en razón inversa de vueltas (figura 1).

Transformador real

En un transformador real, es posible que parte del flujo en el primario no conecte el devanado secundario.

Este flujo de "fuga" no participa en la acción del transformador y puede representarse como una impedancia inductiva adicional que está en serie con el devanado primario (figura 2).

Transformador real más un espacio de aire.

En ciertos diseños de transformadores, la inductancia de fuga debe ser una proporción mayor de la inductancia total y se especifica dentro de una tolerancia estricta.

La proporción aumentada de inductancia de fuga generalmente se logra introduciendo un entrehierro en el diseño del núcleo, reduciendo así la permeabilidad del núcleo y por lo tanto el valor de la inductancia primaria.

Por lo tanto, la relación de flujo que no une el devanado primario con el secundario aumentará en relación con el flujo que une ambos devanados (figura 3).

2, ¿por qué es importante la medición de la inductancia de fuga?

La inductancia de fuga (LL) puede ser indeseable en un componente bobinado, en cuyo caso es importante medir el valor para mostrar que es bajo o, en algunas aplicaciones, como balastos electrónicos de iluminación y convertidores de potencia resonantes, la inductancia de fuga se introduce deliberadamente. y su valor es una parte integral del diseño del circuito.

En estas aplicaciones, la inductancia de fuga proporciona un medio de almacenamiento de energía que es esencial para lograr el correcto funcionamiento del producto terminado.

Por lo tanto, es importante saber que el valor de la inductancia de fuga del transformador se encuentra dentro de los límites especificados.

3, ¿cómo se mide la inductancia de fuga?

Cuando se conecta un medidor LCR al devanado primario de un transformador con terminales secundarios de circuito abierto (figura 4), el valor de la inductancia (L) comprende la inductancia primaria (LP) más la inductancia de fuga (LL).

Dado que LL es una función dentro del transformador, claramente no es posible medir su valor directamente.
Por lo tanto, se debe utilizar un método para restar el valor de LP de la inductancia total medida.
Esto se logra aplicando un cortocircuito entre los terminales secundarios (figura 5).

Un cortocircuito perfecto dará como resultado cero voltios en los terminales de salida (figura 6) y, mediante la acción del transformador, también aparecerán cero voltios en la inductancia primaria.

Por lo tanto, el valor medido de la inductancia en los terminales primarios será la verdadera inductancia de fuga (LL).

Trabsformer con cortocircuito soldado.

Desafortunadamente, lograr un cortocircuito perfecto en el secundario de un transformador es difícil en un laboratorio y completamente impráctico en un entorno de producción.

En producción, es habitual que el cortocircuito se aplique manualmente o mediante un relé conmutable.
En estas condiciones, no se puede lograr un cortocircuito perfecto y, por lo tanto, el voltaje secundario no será verdaderamente cero.

El voltaje atribuible al cortocircuito imperfecto aparecerá entonces a través de la inductancia primaria como un error de cortocircuito multiplicado por la relación de vueltas (figura 7).

Ls/c se refleja en el primario como N 2 Ls/c porque, en cualquier devanado, L es proporcional al número de vueltas al cuadrado (L α N 2 ).

Así, Ls/c se refleja en función de:

( Np / Ns ) ^ 2 = ( Lp / Ls )

El valor medido de la inductancia primaria se puede considerar vectorialmente como la suma de la impedancia de fuga más la impedancia reflejada del error de cortocircuito. Esto se muestra en la figura 8.

Diagrama vectorial que muestra la inductancia de fuga y el error del circuito.

4, la solución tradicional

Para obtener el valor real de la inductancia de fuga, los ingenieros aplicarán cuidadosamente un cortocircuito soldado al secundario del transformador que se va a probar y medirán el valor de la inductancia en el primario.
Este valor de inductancia se registrará como la inductancia de fuga "verdadera" (por ejemplo, 150 μH).

Luego, la inductancia se medirá en el mismo transformador después de que el cortocircuito soldado haya sido reemplazado por una pinza de cortocircuito o un dispositivo con cortocircuito operado por relé, dependiendo de la técnica que se elija para la producción.
Se vuelve a registrar la inductancia medida (p. ej., 180 μH).

Por supuesto, este valor será mayor que el original porque incluye la inductancia de fuga real más la inductancia de error de cortocircuito.

La diferencia entre estos dos valores (en nuestro ejemplo, 30 μH) se utiliza luego en las pruebas de producción como una compensación fija que se programa en un medidor LCR de producción para obtener una aproximación del valor correcto en presencia de un cortocircuito imperfecto.

En la práctica, es imposible lograr un cortocircuito basado en relé o manual que produzca exactamente el mismo error de cortocircuito cada vez.

Esta no repetibilidad del error de cortocircuito es tal que la compensación fija no puede proporcionar al departamento de producción resultados precisos y repetibles.

Esto se ilustra en la siguiente tabla:

Verdadero LL

Medidas. valor

Compensación fija

Resultado

Contraseña errónea

Medidas. #1 150 µH 180 µH -30μH 150 µH
Medidas. #2 150 µH 200 µH -30μH 170 µH X
Medidas. #3 150 µH 250 µH -30μH 17 5μH X

5, La solución Voltech

Voltech ha desarrollado sus probadores de la serie AT con una arquitectura y capacidad de procesamiento para eliminar el error de cortocircuito de la medición de la inductancia primaria durante todas y cada una de las pruebas.

A continuación se muestra una versión simplificada de este proceso.

En primer lugar, como parte de la prueba LL, se realiza una medición silenciosa de la relación de vueltas de la pieza sometida a prueba.

LL Corrección corta

El voltaje en el secundario también se mide cuando el secundario está en circuito abierto.
Esto nos da Vopen en el gráfico anterior.

En segundo lugar, con el cortocircuito (no ideal) aplicado al secundario, también se miden el voltaje y la corriente.
Esto nos da el punto V1/I1 en el gráfico.

Luego, estos dos puntos se extrapolan (en la línea V/I lineal supuesta) y se calculan de regreso a donde V=0 para dar Ishort.
Este es el flujo de corriente esperado en el secundario bajo la condición de corto ideal, es decir, donde el corto es perfecto y no hay caída de voltaje en el secundario.

Este valor de Ishort combinado con el resultado TR silencioso anterior se puede utilizar para calcular el efecto actual correspondiente en el lado primario y, por lo tanto, se puede eliminar del resultado LL medido en el lado primario.

Esta es una versión simplificada de la técnica.
En realidad las medidas son una combinación de medidas reales e imaginarias, por lo que la técnica se muestra vectorialmente a continuación.

En el diagrama vectorial primario, se puede ver que cada medición es la suma del voltaje atribuible a la inductancia de fuga más el voltaje de error del cortocircuito secundario.

Antes de aplicar un cortocircuito, los probadores de la serie AT de Voltech miden la relación de vueltas primaria y secundaria.
Luego, los probadores aplican automáticamente un cortocircuito, utilizando una matriz de relés interna, y miden el voltaje de cortocircuito en las clavijas secundarias del transformador.
El vector de este voltaje de cortocircuito se multiplica automáticamente por la relación de vueltas, produciendo un "vector de error" que es igual al voltaje de error de cortocircuito reflejado en la medición primaria.
Luego, la inductancia de fuga se calcula a partir del valor de la inductancia primaria total menos el vector de error primario que se ha calculado.

Este proceso permite a los probadores de la serie AT de Voltech proporcionar el valor real de inductancia de fuga, independientemente de la variabilidad del cortocircuito.

Verdadero LL

Medidas. valor

Comp. vectorial en tiempo real.

Resultado

Contraseña errónea

Medidas. #1 150 µH 180 µH 150 µH
Medidas. #2 150 µH 200 µH 150 µH
Medidas. #3 150 µH 250 µH 150 µH

6, Conclusión sobre la inductancia de fuga

La inductancia de fuga es una característica crítica del transformador que presenta un desafío de medición particular para los ingenieros de pruebas de diseño y producción.

Al observar los factores que afectan la integridad de las mediciones y desarrollar técnicas de medición innovadoras para superar estos factores, Voltech proporciona una solución única al problema de variabilidad de las mediciones que enfrentan casi todos los fabricantes de transformadores.

Si tiene preguntas sobre cualquiera de las otras funciones de prueba disponibles para los probadores de transformadores de la serie AT de Voltech, no dude en contactarnos.



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